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太阳能光伏发电崔容强上海交通大学2009年9月目录一．当前能源形势二．太阳能光伏发电三．光伏系统设计四．光伏产品与建筑的结合五．国内外光伏建筑一体化工程展示六．光伏建筑一体化设计规范七．结语一当前能源形势2004年欧洲JRC预测本世纪内常规能源及新能源发展趋势年份201020202030204020502100比例1:92:83:74:65:58:29我国各种能源储采比与世界比较二太阳能光伏发电内容概要2.1.太阳能光伏发展历程2.2.全球光伏发展2.3.中国光伏发展2.4.太阳能光伏发电系统2.5.光伏电池及组件分类2.6.光伏组件设计2.7.设计依据2.8.光伏组件工艺流程设计2.9.光伏组件质量检验及评价第一块光伏电池：1954年美国贝尔实验室第一块硅太阳电池效率6%。第一块空间电池：1957年美国先锋2号人造卫星第一个地面光伏电站：1970美国麻省理工学院MIT第一个光伏计划：1974年美国能源部：“太阳能光伏电池十年发展规划”第一个太阳能屋顶计划：1990年德国“2000个光伏屋顶计划”2.1光伏电池发展历史国际光伏研发成长曲线HistoricalRole世界各类太阳电池实验室最高效率电池种类转换效率（％）研制单位备注单晶硅太阳电池25澳大利亚新南威尔士大学4cm2背接触聚光单晶硅电池26.8±0.8美国SunPower公司96倍聚光GaAs多结电池40.7±1.7Spectrolab聚光电池多晶硅太阳电池20.3±0.5德国弗朗霍夫研究所1.002cm2InGaP/GaAs30.28±1.2日本能源公司4cm2非晶硅太阳电池14.5(初始)±0.7美国USSC公司0.27cm212.8(稳定)±0.7CIGS19.5±0.6美国国家可再生能源实验室0.41cm2CdTe16.5±0.5美国国家可再生能源实验室1.032cm2多晶硅薄膜电池16.6±0.4德国斯图加特大学4.017cm2纳米硅太阳电池10.1±0.2日本钟渊公司2微米厚膜染料敏化电池11.0±0.5EPFL0.25cm2HIT22.3日本三洋公司20102020203020402050以后0.10%1.10%10%25%50%国际光伏发电目标（占总发电量比例）2.2.全球光伏发展日本光伏发电目标DataResource：《日本光伏发展及规划》田端祥久日欧美的削减成本计划比较欧盟目标与日本DataResource:日本光伏发展及规划田端祥久欧盟目标与日本欧盟目标与日本商业化晶硅电池所使用硅片的厚度持续降低降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低晶硅太阳电池成本的有效技术措施，是光伏技术进步的重要方面。30多年来，太阳电池硅片厚度从70年的450～500μm降低到目前的180～200μm，降低了一半以上，硅材料用量的大幅度降低对太阳电池成本降低起到了重要作用，是技术进步促进成本降低的重要范例之一。下图为近年来光伏电池所消耗的硅原料的下降趋势（t/GW）2004-2010年晶体硅电池硅消耗量的降低趋势0246810121412345672004200520062007200820092010系列192010年太阳能光伏发电成本下降趋势DataResource:BasedonPhotoninternational全球：光伏产量变化世界光伏产量变化(GW)资料：上海交通大学太阳能研究所中国光伏组件市场调研报告光伏产业发展趋势40.837.434.636.432.236.238.443.442.242.148.250.251.657.254.752.346.545.20.50.30.50.71.11.11.42.74.712.39.68.96.44.54.44.74.75.24.14.35.64.64.43.32.92.62.2199920002001200220032004200520062007otherRibbonC-SiCISa-Si/Uc-SiCdTeMulti-C-SiMono-C-Si2008年全球年装机量及累计装机量（MW）-3,0006,0009,00012,00015,00019951996199719981999200020012002200320042005200620072008AnnualInstallationCumulativeInstallation全球2000-2008年均复合增长率45%年装机量累计装机量数据来源:SolarGenerationV–2008,EPIAandGreenpeaceSolarPlaza薄膜电池与晶硅电池比对----高效太阳电池榜单晶硅电池：理论上限33％,实验室最高效率24.7%,工业化大规模生产效率15%.多晶硅电池:实验室最高效率19.8%,工业化大规模生产效率～14%.非晶硅电池:实验室效率～15%,工业化大规模生产效率5.5～7.5%.GaAs太阳电池:理论上限28.5％,目前最高水平～24.7%.CdTe太阳电池:实验室水平～16.5%,中试10%1.体积小、重量轻。单位重量比功率：100-1000W/kg2.寿命长：20-50年（工作25年，效率下降20%）3.零排放：无工质消耗，无噪声，无污染4.运行可靠，使用安全，免维护5.资源广泛（有太阳就有电），分布式电站6.规模大小皆宜，100W-100GW7.能量回收期短：0.8-3.0年；能量增值效应明显：8-30倍8.光伏电含金量高：晴天发电可调峰9.安装容易，建设周期短10.降价潜力大：→1$/Wp，6€/Kwh光伏发电的优缺点光伏发电的优点¾保障国家能源安全。¾作为高新技术和新能源产业，光伏产业已成为许多国家新的经济增长点。¾光伏产业促进国家及地方经济的发展。¾光伏产业可以提供重要的就业机会。¾农村电气化可以解决无电人口的用电问题，促进边远地区的经济发展。¾光伏发电成本迅速下降，在不远的将来便能和常规发电竞争光伏的优越性-经济及社会效益光伏发电的缺点：9成本高（现在每千瓦3万元，带蓄电池4－6万元）；9能量密度低（峰值辐射每平方米1KW，满发电100瓦）；9发电时数低（每年满功率1500小时）；9不连续，受天气影响，要求连续、可调度存在储能问题。9电力调节较复杂国际太阳能光伏发电售价预测光伏发电的十八种功能☆独立能源/补充能源※并网电站/替代能源△支柱能源一个关键公式SE+ES+SG=WED太阳能+蓄能+智能电网=全部能源需求蓄能：抽水蓄能、蓄电池、超级电容、超导蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、制氢储能光伏技术的目标独立电源→并网电源特殊能源→补充能源补充能源→替代能源替代能源→主力能源2.3.中国光伏发展光伏技术进步的方向9高效率：理论效率与实际效率9长寿命：理论寿命与实际寿命，加速老化试验的理论依据9高可靠：光聚合，光老化的机理9低成本：原料成本、工艺成本、管理成本9零污染：污染的产生与治理，清洁生产硬件方面•光伏材料：晶体材料、薄膜材料、辅助材料等•光伏器件/组件：各种光伏电池，各种光伏组件；刚性、柔性•配套系统ＢＯＳ系统部件：各种逆变器、控制器、蓄电池•系统应用：空间、地面、BIPV、并网、荒漠电站、滨海电站•科学实验装备、生产装备及检测分析装备软件方面•光伏基础研究（研究机构）•计算机仿真优化软件•书刊、杂志、多媒体•政策、法规及规划研究•标准化及标准化管理系统•光伏技术教育和培训光伏电站评价指标：①每平方公里每年发多少度电？Epvkwh/km2•a②每度电成本是多少？Cpv元/kwh③稳定可靠工作多少年？Tpv年④年维护成本是多少？Mpv元/a⑤能量回收期有多长？ER年⑥对环境的影响评估光伏建筑结合BIPV评价指标：①系统初投资②系统稳定工作年限③上网电价9评价光伏发电的基本指标对待光伏发电应该具有大能源的战略角度来看问题光伏发电应该当做未来的主流能源，像对待一次能源一样重视促进其技术进步和产业化发展，融合入国家能源战略之中我国光伏发电产业的思考1、光伏发电是，也惟一是未来中国能源支柱据保守估计，全球2010年占0.1%，2020年1.1%，2030年10%，2040年25%，2050年50%以上。中国是太阳能资源大国，也是硅资源大国，因而完全应当是太阳能大国。中国完全有可能超出世界平均值。应该具有大能源的战略角度来看问题，光伏发电应该当做未来的主流能源，像对待一次能源一样重视，促进其技术进步和产业化发展，融合入国家能源战略之中。2、光伏发电存在的形态1)屋顶电站，2沙漠电站，3滨海电站，4独立电站，5道路天棚电站3、光伏成为中国电网支柱的供电方式1）太阳能光伏发电+蓄能=全国电能需求（蓄能技术：抽水蓄能，蓄电池，超级电容，超导蓄能，压缩空气蓄能，飞轮蓄能，制氢蓄能）2）太阳能光伏发电+蓄能+水电+火电+核电=电网平衡调度3）东西电网+南北电网总调度，全国太阳能总动员。4）以光伏为主的分布式电网广泛使用。4、全国电气化更为普及，用电方式向日出而作，日落而息靠近。1）家庭电气化（去油，去气）——光伏建筑结合BIPV2）工业电气化——光伏建筑结合BIPV，荒漠电站，滨海电站3）交通电气化——道路电站2.4.太阳能光伏发电系统2.4.1太阳电池的原理2.4.2太阳电池单体、组件、方阵2.4.1太阳电池的原理光生伏打效应:1839年法国实验物理学家EdmundBacquerel发现“光生伏打效应”（原理图）太阳电池是太阳能光伏发电系统的核心部件2.4.1太阳电池结构及工作原理反射光通过风实现热量对流和散发透射光转化成电能阳光被太阳电池板吸收后：一部分变成电能，另一部分变成热能光伏系统组成光伏产业链结构2.4.2太阳电池单体、组件、方阵2.5.光伏电池及组件分类2.5.1光伏电池分类2.5.2光伏电池组件分类9太阳电池分类(材料分类)单晶硅太阳电池晶体硅太阳电池多晶硅太阳电池(CrystalSiliconSolarCell)带状硅太阳电池按基体材料分类BasedonMaterials非晶硅太阳电微晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜太阳电池纳米晶硅薄膜太阳电池硅薄膜太阳电池SiliconThinFilm硒光电池硫化镉太阳电池硒铟铜太阳电池碲化镉太阳电池砷化镓太阳电池磷化铟太阳电池染料敏化太阳电池(DyeSensitizedSolarcell)有机薄膜太阳电池(OrganicSolarCell)化合物太阳电池CompoundSolarcell2.5.1光伏电池分类9太阳电池分类(应用分类)空间太阳电池刚性衬底柔性衬底地面太阳电池光伏传感器用途分类刚性衬底柔性衬底同质结太阳电池异质结太阳电池肖特基结太阳电池复合结太阳电池分光太阳电池液结太阳电池结构分类平板太阳电池聚光太阳电池分光太阳电池使用状态分类适应不同设计需求的太阳电池不同颜色的太阳电池：适应不同透光的要求太阳电池双面玻璃封装，非晶硅薄膜组件，透光性晶体硅太阳电池48适应不同透光的要求太阳电池适应不同设计尺寸和形状的要求电池•适应不同形变的柔性太阳电池：弯曲的或柔性的太阳电池组件2.5.2太阳电池组件分类刚性封装单玻璃封装：玻璃、EVA、TPT、硅橡胶双玻璃封装：EVA、硅橡胶滴塑封装:绝缘衬底，金属衬底半刚性封装：全EVA/TPT封装柔性衬底封装：不锈钢薄膜/聚氨酯；聚氨酯衬底/聚氨酯2.6.光伏组件设计2.6.1光伏组件设计的基本原则(1)满足独立供电的基本要求：电压，电流，功率；(2)适应阳光直接照射（抗光老化）；(3)便于安装、运输，使用方便；(4)便于维护，检测；(5)满足标准，便于更换。2.6.2电气设计(1)电压配平（串并联优化）；(2)电功率配平（串并联优化）；(3)电气连接方便可靠；(4)防漏电，防静电；(5)抗雷电；(6)互联条焊接可靠，焊点接触好；(7)汇流条阻抗小。2.6.3机械设计(1)适宜运输；(2)便于安装（孔径、尺寸）；(3)抗震动；(4)抗冰雹；(5)抗灰尘，耐清洗磨擦（自洁透光塑料）；(6)尺寸、形状符合用户要求；(7)封装材料（铝框，不锈钢，塑料）组合成本低，易加工，易批量生产。2.6.4光学设计(1)封装材料透过率高（